[发明专利]一种压电晶片本征频率的测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量方法，特别是关于一种压电晶片本征频率的测量方法。

背景技术

压电晶片(压电陶瓷)由于具有较高的机电转换系数和稳定的性能，因此，是现有技术中无损检测超声探头和海底声纳等传感器的核心元件。而测量压电晶片的本征频率等技术性能参数，对于选用合适的压电晶片作为传感器，具有重要的意义。目前压电晶片本征频率的测量方法主要是传输线路法，其具体步骤为：首先用信号发生器(亦称函数发生器)产生频率可调的连续正弦波电信号，施加到由压电晶片和分压电阻(或匹配电阻)组成的测量电路中，然后不断调节信号发生器的频率，当高频电压表值最大或最小时，通过频率计即可读出压电晶片的本征频率。这种测量方法实质上是一种共振(谐振)测量方法，其原理是：当某一频率的电激励信号使压电晶片处于谐振或反谐振状态时，压电晶片呈现出最大或最小阻抗，从而在高频电压表上得到最大或最小电压值。

传输线路法虽然可以同时测量出压电晶片的串联谐振频率和并联谐振频率，但是需要在特征频率附近仔细调节，并反复观测高频电压表的示值，测量费时而且不够精准。并且在这种测量方法中，还由许多限定条件，如要求信号发生器的输出阻抗低于压电晶片的阻抗，要求匹配电阻大于10倍的压电晶片的阻抗等，而在测量之前，这个阻抗值是未知的，难以预先确定，另外对测量电路的分布电容也有严格要求。而且传输线路法对试样的尺寸也有要求，例如，对圆盘形厚度振动模的压电晶片，要求直径远远大于厚度；纵向振动的圆棒形压电晶片，要求直径远远小于长度，对于尺寸相差不大的压电晶片，用传输线路法，测量的结果往往存在误差。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种无需对信号发生器的输出阻抗和匹配电阻进行限定，且不受压电晶片尺寸限制的压电晶片本征频率的测量方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种压电晶片本征频率的测量方法，其包括以下步骤：1)设置一测量装置，其包括一函数发生器，所述函数发生器的输出端连接压电晶片的两电极，所述压电晶片的两电极上还并联连接一数字示波器；2)开启函数发生器，使其产生一定周期数的Tone-Burst正弦波信号，调节函数发生器以频率f对压电晶片进行电脉冲激励，使压电晶片产生振动；当函数发生器完成周期数时，对压电晶片的电脉冲激励停止，压电晶片开始自由振动，通过数字示波器采集压电晶片两电极之间的自由振动信号；3)调节数字示波器，将步骤2)中压电晶片两电极之间的自由振动信号放大，并对该放大信号进行快速傅立叶变换分析；4)取步骤3)中傅立叶变换分析得到的频谱图上的峰值的频率，则为该被测压电晶片的本征频率；5)调节改变步骤2)中函数发生器的频率f，重复步骤3)和步骤4)，可测得压电晶片的各个本征频率。

所述步骤2)中，函数发生器产生Tone-Burst正弦波信号的周期数为1～100个。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用数字示波器，可以通过对采集到的压电晶片的自由振动信号进行傅立叶变换，直接得到其本征频率，因此，无需反复仔细调节和观测读数，测量效率高，测量数值准确。2、本发明通过设置函数发生器产生Tone-Burst正弦波信号的周期数以及频率，对压电晶片进行电脉冲激励，使压电晶片产生振动，并且激励脉冲信号的频谱宽度较宽，一般会含有压电晶片本征频率的成分，因此，无需对信号发生器输出阻抗和匹配电阻等进行特殊限定，对测量数值几乎没有影响。3、本发明可对任意尺寸的压电晶片进行测量，因此，不受压电晶片的尺寸限制。本发明结构设计巧妙，操作方便，测量精度高，可广泛用于压电晶片本征频率的测量过程中。

附图说明

图1是本发明测量电路结构示意图

图2是本发明示波器测量得到的信号波形示意图

图3是本发明示波器测得的自由振动信号波形的放大示意图

图4是本发明示波器测得的自由振动信号波形的频谱示意图

图5是本发明Tone-Burst信号的一个实施例示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明基于以下原理：当一个压电晶片受到交变电场的激励作用时，由于逆压电效应而产生机械振动。当这种电激励停止时，压电晶片的这种机械振动并不会立即停止，而会存在自由衰减振动现象。在自由衰减振动期间，由于正压电效应，在压电晶片的两个电极之间，必可测得其自由振动的电压信号。通过测量和分析这种压电晶片的自由振动信号，就可测出压电晶片的本征频率。

本发明包括以下步骤：